CN111480266B - 气密端子 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于高电功率的气密端子，其特征是，确保导线材料对于玻璃的润湿性，提升玻璃封接部的气密可靠性。气密端子(10)具备：有至少1个贯通孔的金属外环(11)、插入金属外环(11)的贯通孔的导线(12)、封接金属外环(11)与导线(12)的绝缘材料(13)。导线(12)具有：芯材(12a)、至少包覆芯材(12a)外径部分的粘接材料(12b)、包覆该粘接材料(12b)表面的由低电阻材料构成的中间材料(12c)、包覆中间材料(12c)的在封接温度下有稳定的玻璃结合性的外包材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种气密端子。
背景技术
气密端子是将导线经由绝缘材料与金属外环的插通孔气密地封接而成的。气密端子用于给收纳于气密容器内的电气设备或元件供给电流、从电气设备或元件向外部导出信号等情况下。用绝缘玻璃封接金属外环和导线的GTMS(Glass-to-Metal-Seal，玻璃-金属封接)类气密端子大体上分为匹配密封型和压缩密封型2类。
在气密端子中为确保可靠性高的气密密封，恰当地选择外环以及导线的金属材料的热膨胀系数、绝缘玻璃的热膨胀系数是重要的。用于密封的绝缘玻璃以金属外环以及导线的材质、要求的温度分布以及其热膨胀系数为基准决定。
匹配密封的情况下，以金属材料的热膨胀系数和绝缘玻璃的热膨胀系数尽可能一致的方式选定绝缘玻璃的材料。而在压缩密封的情况下，特意选择不同热膨胀系数的金属材料和绝缘玻璃的材料，以使金属外环压缩绝缘玻璃以及导线。
为确保高的气密可靠性以及电绝缘性，在以往的匹配密封型气密端子中，金属外环以及导线材料使用在宽温度范围内与玻璃材料热膨胀系数一致的可伐合金(Fe54％、Ni28％、Co18％)，用由硼硅酸盐玻璃构成的绝缘玻璃将两者封接。在以往的压缩密封型气密端子中，使用碳钢或不锈钢等钢制的金属外环和铁镍合金(Fe50％、Ni50％)、铁铬合金(Fe72％、Cr28％)等铁合金的导线材料，用由钠钡玻璃构成的绝缘玻璃将两者封接，以使在使用温度范围内对玻璃施加同心圆状的压缩应力。
封接于电子管、电灯泡、放电灯以及二极管、热敏电阻等半导体器件的软质玻璃封入部的金属线材料有杜美丝。杜美丝是以铁镍合金作为芯材、在其上包覆铜而得的复合线，对其表面进行氧化处理或硼酸化处理而成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开昭61-260560号公报
非专利文献
非专利文献1：日本工业标准JIS H 4541-1997杜美丝
发明内容
发明所要解决的技术问题
近年来，要求气密端子应对高电功率。例如要求开发出放置在空间有限的店铺(如便利店)内的冷冻机用的小型且高性能的压缩机。这样以商业用途为中心，近年来的压缩机与以往尺寸相比趋向于小型化，但是随着冷冻机的能力提升，通过安装在压缩机上的气密端子的最大电流值自发地趋向于上升。
在以往的冷冻机用的气密端子中，由于引脚所要求的机械强度等制约，导线材料使用铁合金等高电阻金属。因此如果施加过大的电负荷，则绝缘玻璃由于焦耳热而熔融，气密性变得无法确保，最糟糕的情况是导线材料可能脱落。特别是对于高电功率用途，如果能抑制气密端子的导线材料通电产生的发热，从应对高电功率和省电化等电能高效利用的观点考虑是更优异的。
以往的铁合金制的导线材料变更为铜和铝合金等低电阻金属制的导线材料的情况下，这些低电阻材料的机械强度比铁合金低，组装和放置操作时引脚变得易弯，因此是不良的。用于密封的绝缘玻璃大体上为低热膨胀系数的材料，因此如果导线材料使用银、铜、铝和银合金、铜合金、铝合金等高热膨胀系数的材料，则原理上无法使用匹配密封。
低电阻金属的热膨胀系数与金属外环所使用的钢材相比更大。在压缩密封中导线材料如果使用低电阻金属，则由于封接后导线材料大副收缩，从绝缘玻璃上承受的压缩应力变得过小，难以确保气密性。也可以考虑金属外环和导线材料特意都用银、铜、铝和其合金等高热膨胀系数的材料构成，但是该情况下施加于绝缘玻璃上的压缩应力变得过大，绝缘玻璃有可能发生开裂，因此不能采用。
从降低导线材料的电阻的目的考虑提出了使用铜芯导线的气密端子。如专利文献1所述有使用铜芯表面包覆有合金钢的复合导线材料的气密端子。然而在专利文献1的气密端子的导线材料中，合金钢外套固结包覆在铜内芯的表面上。
由于有在大小有限的金属外环内安装导线的制约，如果将铜内芯半径做大、将合金钢外套做薄，则无法保证导线的机械强度。不仅如此，合金钢外套无法对抗铜的巨大的热膨胀而只能顺应之，无法得到充分的压缩密封。相反，如果将内芯半径做小、将合金钢外套做厚，则难以得到所需的导线的电阻值。
此外，使导线具备实用范围的机械强度的情况下，作为电流路径的钢材外套也必然被通电。合金钢外套有铜的数十倍的电阻，因此即使抑制了铜材部的发热，钢材部仍产生巨大的发热。如果为了抑制钢材通电将铜芯做得更粗，则可以抑制钢材的发热，可以使导线和玻璃间的热应力变小。另一方面，通电一侧的铜材和钢材之间产生巨大的热应力，材料的界面容易发生剥离。
因此，钢材外套和铜材内芯的构成，虽然有降低铜芯材的电阻的效果，但是会发生由于铜芯材过大的热膨胀导致的问题。钢材外套和铜材内芯的构成中会产生由热应力导致的界面剥离，金属材料的复合界面受到热过程的影响，气密性容易受损。
以往作为玻璃密封的电极材料使用的杜美丝，是在芯材的铁镍合金上包覆铜而得到复合线，对其表面进行氧化处理或硼酸化处理而成。关于杜美丝，例如在非专利文献1的日本工业标准等中有规定。
制造杜美丝材料时，对由铁镍合金构成的芯线实施铜包覆。在950℃下将铜表面氧化为氧化亚铜(Cu2O)。然后浸渍在硼酸溶液中，提起，在800℃到950℃下分解烧成附着的硼酸(H3BO3)，使最外表面上生成玻璃状的氧化硼(B2O3)。
然而该制法在对柔软的长条线材由放线卷盘进行连续处理的情况下不亏本，但是如果使用刚性的大尺寸销的单片通过间歇处理进行同样的成膜，则具有生产效率差、成本高的缺点。此外，大尺寸销的单片的间歇处理中，数量众多的销材之间相互接触和碰撞的机会变多。因此会发生硼氧化物膜的不均匀和剥落。存在在硼氧化物膜薄的地方和脱落的地方玻璃的磨合和紧贴变差，容易发生泄漏的问题。因此，杜美丝的现状是只有灯具等球管用的线径相对较细的杜美丝，将其适用于高电功率用的气密端子是困难的。
杜美丝是在Fe系金属芯材上包覆铜材而成的。通过将铜材表面存在的铜氧化物层与构成绝缘玻璃的硅酸盐和硼酸盐化学键合，将杜美丝封接于绝缘玻璃。为得到涂在杜美丝的最外表面上的玻璃状的氧化硼膜，预先使铜氧化物与玻璃成分的氧化硼进行化学反应。通过氧化硼膜改善绝缘玻璃的润湿性，使短时间的封接成为可能。此外，氧化硼膜具有防止绝缘玻璃和铜氧化物发生过剩的反应，保护夹在铜坯料和密封玻璃的接合面处的氧化物层的功能。
一般铜氧化物有红色的氧化亚铜(Cu2O)和黑色的氧化铜(CuO)两种。由于氧化铜太脆，与玻璃反应并显示良好封接性的仅限于氧化亚铜。然而氧化亚铜容易溶解于玻璃中。如果将玻璃直接封接于单独的铜坯料，则维系玻璃和金属间的连接的氧化物层有可能会扩散到玻璃中而消失，氧化物层有可能会部分的变质为氧化铜。存在以这些部分为起点容易产生气漏的问题。
本发明的目的在于提供用于高电功率的气密端子，其特征是，确保导线材料对于玻璃的润湿性，提升玻璃封接部的气密可靠性。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的一种形态的气密端子具备：有至少1个贯通孔的金属外环、插入所述金属外环的所述贯通孔的导线、封接所述金属外环与所述导线的绝缘材料。所述导线具有：芯材、至少包覆所述芯材外径部分的粘接材料、与所述粘接材料间有密合性的包覆粘接材料表面的由低电阻材料构成的中间材料、包覆中间材料的在封接温度下有稳定的玻璃结合性的外包材料。
通过在芯材表面设置粘接材料可以提高芯材与中间材料之间的密合性。通过在导线的最外面设置在封接温度下有稳定的玻璃结合性的外包材料，即使使用玻璃密合性差的中间材料也可以容易地确保封接气密性。由此，对以往难以形成硼氧化物的大尺寸销，也可以使用电镀处理和包层处理等形成外包材料，因此容易得到不易发生由与玻璃间的反应引起的侵蚀的、有稳定的玻璃结合性的表面包覆。
附图说明
图1是显示本发明的气密端子的俯视图。
图2是显示本发明的气密端子并沿着图1的II-II线切割的正面部分剖视图。
图3是显示本发明的气密端子的仰视图。
具体实施方式
本实施方式的气密端子10，如图1或图3所示，具备：有至少1个贯通孔的金属外环11、插入金属外环11的贯通孔的导线12、封接金属外环11与导线12的绝缘材料13。导线12具有：起结构材料作用的芯材12a、至少包覆芯材12a外径部分的粘接材料12b、包覆该粘接材料12b表面的低电阻材料的中间材料12c、包覆中间材料12c表面的在封接温度下有稳定的玻璃结合性的外包材料12d。通过用在封接温度下有稳定的玻璃结合性的外包材料12d包覆低电阻材料的中间材料12c的表面，可以在配置与玻璃之间密合性弱的低电阻材料作为中间材料12c的同时，利用表面的外包材料12d来确保与玻璃之间的密合性。
本实施方式的芯材12a由作为结构材料的Fe或Fe基合金构成。本发明的粘接材料12b可使用满足以下条件的任何材料：与芯材12a以及中间材料12c具有亲和性，并不易向芯材12a以及中间材料12c扩散。例如作为粘接材料12b优选采用Ni、Cu、Ag、Ni合金、Cu合金或Ag合金。
本实施方式的中间材料12c可使用满足以下条件的任何材料：显示与铜材同等或铜材以下的电阻值的低电阻材料。例如作为中间材料12c优选采用由Cu或Al构成的金属、或包含5重量％以上的Cu以及Al中至少一种的合金。
本实施方式的外包材料12d可使用满足以下条件的任何材料：在600℃以上1100℃以下的封接温度下具有稳定的玻璃结合性的外包材料。例如外包材料12d由长式周期表中除Tc外的6A族到第八族之间的过渡元素所构成的金属、或包含5重量％以上的至少一种该金属的合金构成。该外包材料12d在封接温度下，其氧化物等表面化合物或该金属本身溶解于玻璃较慢。因此，即使其表面化合物以及金属的膜厚较薄，也不易发生由与玻璃反应引起的缺损部位，因此是优选的。特别优选采用由选自Cr、Ni、Ni-P以及Pd的金属所构成的外包材料12d。
藉由所述构成，能够在使用与玻璃之间密合性弱的低电阻材料作为中间材料12c的同时，防止外包材料12d在气密端子的导线界面处与密封玻璃的过剩的反应、实现气密性优良的封接。此外，外包材料12d也可以仅在与绝缘材料13的界面处局部设置。
另外，本说明书以及附图例示了三端子的气密端子，但是可使用将导线用玻璃封接于外环而成的任何形式的气密端子，不限于例示的气密端子。
实施例
实施例1的气密端子10，如图1到图3所示，具备：有3个贯通孔的碳钢的金属外环11、插入金属外环11的贯通孔的导线12、封接金属外环11与导线12的钠钡玻璃的绝缘材料13。导线12具有：Fe-Cr合金的芯材12a、包覆芯材12a外径部分的Ni的粘接材料12b、包覆粘接材料12b表面的Cu的中间材料12c、包覆中间材料12c表面的Cr的外包材料12d。
实施例2的气密端子10，如图1到图3所示，具备：有3个贯通孔的碳钢的金属外环11、插入金属外环11的贯通孔的导线12、封接金属外环11与导线12的钠钡玻璃的绝缘材料13。导线12具有：Fe-Cr合金的芯材12a、包覆芯材12a外径部分的Ni的粘接材料12b、包覆粘接材料12b表面的Cu的中间材料12c、包覆中间材料12c表面的Ni的外包材料12d。
实施例3的气密端子10，如图1到图3所示，具备：有3个贯通孔的碳钢的金属外环11、插入金属外环11的贯通孔的导线12、封接金属外环11与导线12的钠钡玻璃的绝缘材料13。导线12具有：Fe-Cr合金的芯材12a、包覆芯材12a外径部分的Ni的粘接材料12b、包覆粘接材料12b表面的Cu的中间材料12c、包覆中间材料12c表面的Pd的外包材料12d。
实施例4的气密端子10，如图1到图3所示，具备：有3个贯通孔的不锈钢的金属外环11、插入金属外环11的贯通孔的导线12、封接金属外环11与导线12的钠钡玻璃的绝缘材料13。导线12具有：Fe-Cr合金的芯材12a、包覆芯材12a外径部分的Cu的粘接材料12b、包覆粘接材料12b表面的Al的中间材料12c、包覆中间材料12c表面的Cr的外包材料12d。
实施例5的气密端子10，如图1到图3所示，具备：有3个贯通孔的不锈钢的金属外环11、插入金属外环11的贯通孔的导线12、封接金属外环11与导线12的钠钡玻璃的绝缘材料13。导线12具有：Fe-Cr合金的芯材12a、包覆芯材12a外径部分的Ni的粘接材料12b、包覆粘接材料12b表面的Al的中间材料12c、包覆中间材料12c表面的Ni的外包材料12d。
实施例6的气密端子10，如图1到图3所示，具备：有3个贯通孔的不锈钢的金属外环11、插入金属外环11的贯通孔的导线12、封接金属外环11与导线12的钠钡玻璃的绝缘材料13。导线12具有：Fe-Cr合金的芯材12a、包覆芯材12a外径部分的Ag的粘接材料12b、包覆粘接材料12b表面的Al的中间材料12c、包覆中间材料12c表面的Pd的外包材料12d。
本实施方式的气密端子在将导线用玻璃封接于金属外环后，可以进一步对金属表面施加需要的精镀。此外，上述各实施例中所述的芯材可使用能构成中间材料以及外包材料的基础结构的任何材料。例如芯材的材质不限于Fe-Cr合金，也可以是Fe-Ni合金、碳钢等。
此外，上述各实施例中所述的绝缘材料只要能将导线和金属外环绝缘并气密地封接即可，可使用不限于钠钡玻璃的任意的玻璃材料。利用本实施方式的外包材料有保护化学稳定性较弱的中间材料不发生界面侵蚀和腐蚀等的功能这一点，作为绝缘材料也可使用环氧树脂等树脂材料代替玻璃材料。此外，本实施方式的气密端子的导线以及金属外环的一部分安装有机硅树脂等绝缘包覆也无妨。
本次所公开的实施方式在所有的点上应当认为是示例性的而非限制的。本发明的范围由权利要求书表示而非上述说明表示，意在包括与权利要求书等同的意思和范围内的所有变更。
产业上利用的可能性
本发明的气密端子可用作应对特别是高电压以及高电流并要求高气密性的气密端子。
符号说明
10气密端子、11金属外环、12导线、12a芯材、12b粘接材料、12c中间材料、12d外包材料、13绝缘材料。
Claims (7)
1.一种气密端子，具备：有至少1个贯通孔的金属外环、插入所述金属外环的所述贯通孔的导线、封接所述金属外环与所述导线的绝缘材料，所述导线具有：作为结构材料的芯材、至少包覆所述芯材外径部分的粘接材料、包覆所述粘接材料表面的由低电阻材料构成的中间材料、包覆所述中间材料的在封接温度下有稳定的玻璃结合性的外包材料，所述粘接材料由选自Ni、Cu、Ni合金或Cu合金的金属所构成。
2.如权利要求1所述的气密端子，其特征在于，所述芯材由作为结构材料的Fe或Fe基合金构成。
3.如权利要求1或2所述的气密端子，其特征在于，所述中间材料由显示与铜材同等或铜材以下的电阻值的低电阻材料构成。
4.如权利要求1或2所述的气密端子，其特征在于，所述中间材料由Cu或Al所构成的金属、或包含5重量％以上的Cu以及Al中至少一种的合金构成。
5.如权利要求1或2所述的气密端子，其特征在于，所述封接温度在600℃以上1100℃以下。
6.如权利要求1或2所述的气密端子，其特征在于，所述外包材料由长式周期表中除Tc外的6A族到第八族之间的过渡元素所构成的金属、或包含5重量％以上的至少一种所述金属的合金构成。
7.如权利要求6所述的气密端子，其特征在于，所述过渡元素所构成的金属以及所述合金由选自Cr、Ni、Ni-P以及Pd的金属构成。
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